ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

История развития представлений об электромагнитных явлениях

Когда-то известный изобретатель и электротехник Н. Тесла написал:

«Кто действительно хочет понять все величие нашего времени, тот должен ознакомиться с историей науки об электричестве. И тогда он узнает сказку, какой нет и среди сказок ”Тысячи и одной ночи”».

Первые исследования: от Гилберта и Мушенбрука до Франклина и Кулона

Впервые явления, которые сейчас называют электрическими, были замечены в Древнем Китае, Индии, а позже и в Древней Греции. Сохранившиеся предания говорят о том, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление позже получило название электризации.


i 162

О янтаре в «Сказке об электричестве» Теслы можно найти такие поэтические строки: «Рассказ начинается задолго до начала нашей эры, в те времена, когда Фалес, Теофраст и Плиний говорили о чудесных свойствах «электрона» (янтаря), – этого удивительного вещества, возникшего из слез Гелиад, сестер несчастного юноши Фаэтона, который пытался овладеть колесницей Феба и едва не сжег всю Землю».


i 163

Фалес Милетский



Однако, создав поэтические легенды о янтаре, греки не продолжили изучение его свойств. Пушинки ничего не добавили к знаниям древних греков, а в средние века было забыто и то, что знали о янтаре в древности.

Только в конце XVI в. придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт (1544–1603) изучил все, что было известно о свойствах янтаря древним народам, и сам провел немало опытов с янтарем и магнитами. В 1600 г. он издал большой труд «О магните, магнитных телах и о самом большом магните – Земле» – настоящий свод знаний того времени об электричестве и магнетизме.

Гилберт первым обнаружил, что электризация присуща не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кости, не электризуются. Гилберт распределил все тела, встречающиеся в природе, на те, что электризуются, и те, которые не электризуются. Обратив особое внимание на первые, он проводил много опытов по изучению их свойств.

В середине XVII в. известный немецкий ученый, о котором мы уже упоминали, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса и других приборов Отто фон Герике (1602–1686) построил специальную «электрическую машину», представлявшую собой шар из серы, насаженный на ось. Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал способность притягивать и отталкивать легкие тела.

Машину Герике впоследствии значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к важным открытиям: в 1707 г. французский физик Шарль Дюфе (1698–1739) нашел разницу между электричеством, полученном от трения стеклянного шара, и электричеством, получаемым от трения диска из древесной смолы. Он даже название дал им «смоляное электричество» и «стеклянное электричество». Дюфе установил два вида электрического взаимодействия: притяжение и отталкивание.

В 1729 г. англичанин Стефан Грей (1670–1736) заметил способность некоторых тел проводить электричество и впервые указал на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

В опытах Грей брал стеклянную трубку и закрывал ее пробкой, в которую втыкал металлический стержень с шариком из слоновой кости. Затем, когда трубку натирали сукном (сейчас мы называем это электризацией), оказывалось, что шарик становился заряженным.

При испытании различных веществ Грей открыл существование электропроводности, которая была присуща металлическим проводам, угольным стержням, веревке из пеньки. Хорошими проводниками являются ткани тела человека и животных. В то же время электричество не передавалось через каучук, шелк, фарфор.

В своих опытах Грей, чтобы обеспечить изоляцию от земли, электризовал тела, сидя на качелях, подвешенных на волосяных веревках.


i 164

Опыт Герике с электрической машиной



Но гораздо более важное открытие было описано в 1745 г. Питером ван Мушенбруком (1692–1761) – голландским профессором математики и философии в городе Лейдене. Он определил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электрический заряд. Хорошо заряженное, это устройство могло быть затем разряженным со значительным эффектом – большой искрой, сопровождающейся сильным треском, подобным разряду молнии.


i 165

Питер ван Мушенбрук



Кстати, поговаривают, что это изобретение было сделано ученым в какой-то степени случайно. Мушенбрук проводил опыты, в которых пытался «задержать» полученное им электричество, заряженные им тела другими – которые состоят из веществ, не проводящих электричество. Однажды он опустил провод от электрической машины в графин с водой. Держа графин в руках, он прикоснулся к проводу и получил сильный электрический удар – электрический разряд, как мы говорим сейчас.

От названия города, где проводились эти опыты, прибор, созданный Мушенбруком, был назван лейденской банкой. Это был первый конденсатор – устройство, без которого сегодня трудно представить современную технику!


i 166

Лейденская банка



Исследования свойств лейденской банки проводились в разных странах и вызвали появление большого количества гипотез, пытавшихся объяснить обнаруженное явление накопления заряда банкой. Одна из теорий этого явления была предложена выдающимся американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706–1790), который указал на существование положительного и отрицательного электричества. Исходя из своей теории, Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки.

Б. Франклин был не только выдающимся ученым-исследователем, но и общественным деятелем, много сделавшим для развития просвещения в США: организовал Филадельфийскую библиотеку, основал Пенсильванский университет, Филадельфийское философское общество.


i 167

Бенджамин Франклин



Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний в 1775–1783 гг. Он участвовал в работе континентального конгресса и созданного им комитета по подготовке Декларации независимости, а также в подготовке Конституции Соединенных Штатов; боролся за демократические принципы управления государством. Таким образом,

Франклин был одним из основателей США, основателем науки этого государства и его первого научного общества. Он внес большой вклад в американскую и мировую науку.

Среди его научных трудов ведущее место занимают исследования именно по электричеству. Эти исследования составляют содержание знаменитых «Опытов и наблюдений за электричеством», составленных из писем члену Лондонского Королевского общества П. Коллинсону. Именно там Франклин ввел понятие о положительном и отрицательном электричестве (то, что мы сейчас называем двумя видами электрических зарядов). Предвестниками современного закона сохранения электрического заряда были идеи, которые также сформулировал Франклин.

Б. Франклин, так же как и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман, большое внимание уделил и изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Он провел знаменитые опыты с воздушным змеем, запуская его при приближении грозы. К верхнему концу крестовины змея он прикреплял заостренный провод, а к веревке, на которую привязывали змея – ключ и шелковую ленту. В письме Коллинсону в октябре 1752 г. Франклин писал: «Когда грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока будет добывать из нее электрический огонь, и змей наэлектризуется… А когда дождь смочит змея вместе с веревкой, предоставив им возможности свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца».

Легко заметить, что здесь действительно была предложена идея первого «громоотвода» (сейчас мы знаем, что точнее его следует называть молниеотводом, потому что грома не следует бояться).

Опыты Франклина и его громоотвод вызвали большой интерес, многие ученые стали проводить аналогичные исследования. К сожалению, не все эти эксперименты закончились счастливо: как известно, коллега М. В. Ломоносова Г. Рихман погиб, ставя во время грозы 26 июля 1753 г. опыт по изучению молнии.

Кстати, «электрические воздушные наблюдения» проводил и сам Михаил Ломоносов. Он смог с помощью электрического указателя определить электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. Ломоносов разрабатывал собственную теорию электрических явлений, которые он объяснял движением эфира.

Работы русских академиков Ф. Эпинуса, Г. Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество «неподвижных зарядов». Об электрическом токе им ничего не было известно.


i 168

Электрическая машина



Существенным шагом вперед оказались опыты, проведенные англичанином Генри Кавендишем (1731–1810), результаты которых всем известны как закон… Кулона! Дело в том, что Кавендиш был богатым английским лордом, который физику и химию считал своим хобби, как сказали бы мы сейчас. С помощью специального прибора – крутильных весов – он определил, что сила взаимодействия между электрически заряженными шариками уменьшается при увеличении расстояния между ними в определенной математической зависимости. Кавендиш неохотно публиковал свои работы, и в частности свои исследования по электричеству. Поэтому они оставались неизвестными почти до 1879 г., когда их – через 100 лет! – опубликовал другой выдающийся английский ученый Максвелл.


i 169

«Громовая машина». Рисунок М. В. Ломоносова (1753 г.)


i 170

Шарль Кулон



В 1777 г. открытие Кавендиша «переоткрыл» французский военный инженер и исследователь Шарль Кулон (1736–1806).

Практическое значение накопленных за два столетия знаний об электричестве было сравнительно невелико. Это объясняется тем, что запросы практики, промышленности пока не выдвигали перед наукой требований познания электричества и изучения возможности его исполь

Открытие Луиджи Гальвани

Большим открытием XVIII в. было обнаружение итальянским физиком и анатомом Луиджи Гальвани (1737–1798) появления элекричества при столкновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки.

Во второй половине XVIII в. была открыта возможность создания электрического тока. Это явление интересовало не только физиков, но и физиологов и врачей. Обнаружение электрических свойств ската заставляло их искать пути применения электричества и магнетизма во врачебной практике. Тот факт, что у врача Л. Гальвани была электрическая машина, вполне соответствовал духу времени.

Как преподаватель медицины, Гальвани проводил исследования препарированной лягушки. Он (а точнее сначала его помощники и жена!) заметил, что мышцы лягушки сокращаются, то есть начинают дергаться, когда к ним прикасаются скальпелем вблизи электрической машины. После этого он провел много серий опытов и наблюдений.

В 1791 г. вышла книга, которую Гальвани назвал «Трактат о силе электричества при мышечном движении». В ней он описал сделанное открытие. Гальвани ошибочно считал, что это явление вызвано наличием особого «животного электричества». Хотя позже это было объяснено иначе, опыты Гальвани вошли в сокровищницу очень важных физических экспериментов, давших толчок дальнейшему развитию науки.

Родился Гальвани в Болонье в сентябре 1737 г. Изучал богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

Когда войска Бонапарта захватили Италию, в частности Болонью, была создана Цизальпинская республика. Все служащие должны были принести присягу на верность республике. Гальвани отказался это делать, из-за чего в 1797 г. его отправили в отставку. Хотя впоследствии правительство республики за заслуги восстановило его в должности, да было уже поздно: Гальвани, тяжело переживая потерю жены и брата, 4 декабря 1798 г. ушел из жизни.

Проведенные Гальвани исследования сохранили его имя в памяти людей. Термин «гальванический» до сих пор используют в названиях некоторых процессов и приборов.

Отец батарейки

Еще один итальянский ученый, Алессандро Вольта (1745–1827), дал научно обоснованоое объяснение опытам Гальвани. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, следует объяснять тем, что два разнородных металла, разделенные слоем специальной жидкости, являются источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.

Между Гальвани и Вольта развернулась острая полемика относительно того, что же наблюдалось в опытах с лягушкой. Гальвани пытался полностью исключить физические причины явления, а Вольта, наоборот, исключал физиологические объекты: он даже заменил в своих опытах лапку лягушки физическим прибором – электрометром.

Вольта объяснил происходящее так: есть замкнутая электрическая цепь, через которую течет ток. Лапка лягушки – просто соединительное звено такой цепи.

Кроме того, Вольта заметил, что наличие электрического тока можно просто почувствовать… на вкус, если языком коснуться контактов.


i 171

Элемент Вольта – «вольтов столб»



Разработанная Вольта теория позволила ему создать в 1794 г. первый в мире источник электрического тока в виде так называемого вольтового столба. Этот столб представлял собой набор дисков из двух металлов (меди и цинка), разделенных прокладками из войлока, смоченного в солевом растворе или щелочи.


i 172

Демонстрация опытов А. Вольты



Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 г., находим в письме А. Вольта президенту Лондонского Королевского общества Банксу от 20 марта 1800 г. Благодаря этому он обрел всемирную славу! Вольта был избран членом Парижской и других академий мира, а Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. (Но заметим, что после этого открытия он уже ничего выдающегося в науке не сделал…)

Отметим также, что и Гальвани был в известной степени недалек от истины: как это доказали позже, в любом организме жизненные процессы сопровождаются возникновением электричества (что не имеет, однако, ничего общего с электричеством, открытым самим Гальвани, и его пояснениями!..)

Электрический ток: начало

После открытия вольтового столба многие ученые пытались создать более мощные источники тока. Английские химики Никольсон и Карлейль построили вольтов столб из 17 элементов и осуществили электролиз воды. Так было открыто химическое действие электрического тока.

Одним из первых свойства электрического тока вплотную изучил в 1801–1802 гг. петербургский академик В. В. Петров (1761–1834). Работы этого выдающегося ученого, построившего крупнейшую по тем временам в мире батарею из 4200 медных и цинковых кружков, сделали возможным практическое использование электрического тока для нагрева проводников. Свою батарею Петров в честь Гальвани и Вольта назвал гальванивольтовым столбом. Это была самая мощная батарея того времени.

В отличие от вертикальных столбов предшественников, В. Петров предлагал размещать элементы батареи горизонтально, чтобы кружки стояли ребрами вертикально в деревянных ящиках. Когда все эти ящики выстроили в один ряд, его длина превысила 12 м!

Он также нашел способы изоляции элементов батареи от дерева, предложив делать это с помощью сургуча, а тела, с которыми проводят опыты, помещать на подставку на стеклянных ножках.

Кроме того, в 1802 г., на восемь лет раньше англичанина Г. Дэви, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных угольных стержней как в воздухе, так и в газах и вакууме, получившее название электрической дуги.

В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов, и таким образом впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С того времени следует вести отсчет истории электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Электричество + магнетизм =…

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 г. итальянский ученый Романьози заметил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, который протекал по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 г. это явление было вновь замечено датским физиком Г. К. Эрстедом (1777–1851), который в марте 1820 г. опубликовал на латыни брошюру под названием «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В этом сочинении «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в г. Рудкебинг на острове Лангеланн в семье аптекаря. Учился он в Копенгагенском университете, где в 1797 г. получил диплом фармацевта, позже – степень доктора философии и в двадцать девять лет стал профессором университета.

Научные интересы Эрстеда были разнообразны: он увлекался физикой, химией, философией. Идеи о единстве сил природы и возможной связи между электричеством и магнетизмом он высказывал еще в 1812–1813 гг. Однако экспериментально он обнаружил это именно в 1820 г.


i 173

Ганс Кристиан Эрстед



Суть сделанного Эрстедом открытия заключается в том, что проводник, по которому проходит электрический ток, действует на магнитную стрелку, находящуюся рядом. Ток заставляет стрелку вращаться и определенным образом ориентироваться у проводника. Хотя объяснения самого Эрстеда относительно открытого им явления были не совсем правильными, это открытие увековечило его имя.

Небольшая, всего на пять страниц, книга Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Его опыты повторил осенью 1820 г. швейцарский натуралист де ля Рив на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской Академии наук Доминик Франсуа Араго (1786–1853), который после возвращения продемонстрировал на заседании Академии опыт Эрстеда. Араго провел ряд исследований, из которых самым важным было открытое им в 1824 г. явление вовлечения медного диска во вращение магнитом, вращающимся рядом с ним.


i 174

Амперметр – устройство для измерения силы тока



Это явление, названное «магнетизмом вращения» в течение длительного времени так и оставалось разве что эффектным физическим опытом.

Но впоследствии именно оно стало основой многих практических изобретений, и в частности элекродвигателя переменного тока.

Большое значение имело также открытие в 1820 г. французами Био и Савара законов действия тока на магнитную стрелку.

Нельзя не сказать о деятельности выдающегося ученого Андре Мари Ампера (1775–1836), который положил

начало изучению действий электрического тока и установлению целого ряда законов электродинамики. Как только Араго продемонстрировал на заседании Парижской академии наук опыт Эрстеда, Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 г., ровно через неделю сообщил о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер закончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих в параллельно расположенных проводниках.

С тех пор Академия еженедельно заслушивала новые сообщения Ампера о его опытах, приведших к открытию и формулированию основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория была встречена современниками Ампера с большим недоверием.

Через пять лет после проведенных Ампером работ был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма.

В 1827 г. немецкий ученый Георг Ом (1789–1854) открыл один из важнейших законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой течет электрический ток. Да, это тот самый закон, о котором школьники говорят: «Не знаешь закон Ома – посиди дома!»


i 175

Георг Ом



Открытие Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея (1791–1867) и побудили его к изучению всего круга вопросов о преобразовании электрической и магнитной энергии в механическую.

В 1821 г. он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором наблюдал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 г. Фарадей сообщил об открытом им явлении, которое он впоследствии назвал электромагнитной индукцией. Это явление стало основой всей современной электроэнергетики!

Личность и жизненный путь Фарадея настолько интересны, что требуют отдельного разговора (мы к нему вернемся в последнем разделе книги).

Исследования Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца (1804–1865), связанные с этой же проблемой, позволили создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Эмиль Христианович Ленц родился в феврале 1804 г. в семье чиновника в г. Дерпт (ныне – Тарту, в Эстонии). Он рано остался без отца, однако благодаря стараниям матери с успехом окончил гимназию и поступил в 1820 г. в Дерптский университет.

Его научная деятельность началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика отправился с научной экспедицией в кругосветное путешествие, продолжавшееся три года. Во время экспедиции Ленц сконструировал глубиномер и прибор для изучения воды на разных глубинах – батомер.


i 176

Эмиль Христианович Ленц



С 1838 г. Ленц работает в Петербургском университете, а со временем становится его ректором.

Свои исследования по электромагнетизму Ленц начал в 1831 г. в лаборатории, которая перешла к нему от В. Петрова. После открытия Фарадеем электромагнитной индукции Ленц начал искать общие правила определения направления индукционного тока. 29 ноября 1833 г. он сделал доклад об обнаруженном им правиле (его мы и сейчас знаем как «правило Ленца»), которое стало общепризнанным после публикации во многих европейских журналах.

Неразгаданная тайна

Большой шаг, который сделали Ампер, Фарадей, Ленц и другие физики того времени, все, кто изучал проблемы электричества и магнетизма, – стал толчком к внедрению сделанных открытий в производство. Это касается прежде всего электрических генераторов.

Сначала электрогенератор и электродвигатель развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М., содержавшее описание первого в мире синхронного генератора и чертежи, приложенные к письму. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р. М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, в надежде, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и письмо Фарадея, сопровождавшее его, где он дает очень высокую оценку изобретению Р. М.

И действительно, спустя полгода Р. М. прислал в редакцию дополнительные разъяснения и описание предложенной им концепции электрогенератора, но и на этот раз захотел остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым за инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные поиски историков электротехники, не знает, кому оно обязано одним из важнейших изобретений.



Свеча Яблочкова



Началось стремительное развитие в применении электродвигателей и потреблении электроэнергии. Этому немало способствовало изобретение П. Н. Яблочкова: способ освещения с помощью так называемой «свечи Яблочкова» – дуговой электролампы с параллельным размещением углей. Простота и удобство «свечи Яблочкова», заменившей дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, способствовали ее широкому распространению, и вскоре «свет Яблочкова», «русский», или «северный» свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было настоящим триумфом изобретателя-россиянина.

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru